CN105299137A - 柔性飞轮 - Google Patents

Abstract

一种立式储能飞轮装置，含有旋转的轮体、一个转轴(51)、转轴上的轴承、真空壳体。轮体含有一个或多个质量块体(53)和至少一个支承体(54)，质量块体由周向缠绕的纤维增强聚合物构成，质量块体之间、支承体之间、质量块体与支承体之间具有作连接用的柔性膜环(55，58)和承重端面副(56)，实现对轮体的柔性连接，解决动平衡困难和振动大的问题。采用永磁式轴向轴承和滚动径向轴承，在实现对飞轮重力的磁力支承的同时，避免径向轴承使用主动控制磁力轴承带来的问题。可应用于新能源车辆、电网调峰、风力发电、不间断电源、高能脉冲充放等场合。

Description

柔性飞轮

所属技术领域

本发明涉及一种储能飞轮装置。

背景技术

储能飞轮利用高速旋转轮体的动能储存机械能，借助某种能量传递方式输入和输出能量，类似于化学蓄电池的作用，可用于需要能量储存和转换的场合，包括新能源车辆、电网调峰、风力发电、不间断电源、高能脉冲充放等应用。

储能飞轮早已有之，现代储能飞轮重新得到重视，是因为储能飞轮综合利用了高强复合材料、真空、磁力轴承、高转速变频电机等现代技术，具有较高的储能密度，同时具有功率密度很高的优点，也是因为当前能源环境出现了对新型能源、绿色能源的需求，以及对能量储存与转换解决方案的需求及其高品质要求。

目前典型的储能飞轮具有以下结构及特点：

动能载体：储存绝大部分动能的轮体质量块，均采用单向连续纤维增强塑料复合材料缠绕成型，以求得最大的储能密度。这种材料结构的周向(材料自身的纵向)强度最高，但材料结构的径向和轴向(材料自身的横向)强度很低，使得轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，这样带来的不利之处是不能充分利用已占的空间布设质量块，实用储能体积密度偏小。

真空容器：旋转的轮体置于真空容器内，以最大限度地减少鼓风摩擦损失。旋转轴全部位于真空容器内，没有轴密封(即真空与大气的隔离)。轴承和电机也位于真空容器内。

轴承：采用磁力轴承，支承径向负荷和轴向负荷(飞轮多为立式结构)，以最大限度地减少轴承摩擦损失，同时回避机械轴承在真空环境中的润滑剂蒸发问题和寿命锐减问题。同时采用机械保护轴承，在磁力轴承不用、未用、失效、超载等情形下起到临时支承和定位作用。

能量传递方式：采用高转速变频电机，向飞轮输入能量时处于电动机状态，由外部电能转换为飞轮机械能，飞轮输出能量时处于发电机状态，由飞轮机械能转换为外部电能。电机位于真空容器内，高频高转速电机的发热量大、热传导受限的问题比较大。

经归纳总结，现有的储能飞轮有以下不足之处或者有待改进的方面：

(1)由于单个轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，实用储能体积密度偏小。

(2)大质量、高转速轮体的动不平衡力和力矩较难控制。首先是动平衡校正难度大，一是需要承载负荷很大的动平衡机；二是多为柔性转子，需要校正难度较大的高速动平衡，并需要真空动平衡条件；三是高速旋转下的纤维增强塑料会发生较大的位移变形，变形量随转速变化，对高速动平衡校正非常不利。更为不利的是工作时动不平衡的增长，一是发生较大的位移变形，尺寸和材料的差别使得这种变形不均匀对称发生；二是长期使用发生渐进的蠕变变形行为。玻璃纤维增强塑料的弹性变形和蠕变量较大，碳纤维增强塑料的较小，但是碳纤维这类高弹性模量的材料价格成本太高，阻碍了大规模经济性应用，而玻璃纤维适合于实际应用，但要克服解决其变形和蠕变量大的问题。

(3)径向负荷轴承和轴向负荷轴承全部采用磁力轴承带来的问题：增加了必须具有很高可靠性的磁悬浮轴承主动控制系统，在移动式应用场合(如车辆)，面临着频繁的随机的大幅度冲击载荷的考验，特别是飞轮陀螺力矩对径向轴承的冲击载荷相当严重。与不需控制的机械轴承或永磁轴承相比较，磁悬浮轴承及其控制系统毕竟是一个复杂系统，出现问题的概率较高，一旦出现故障和失效，由于飞轮的惯性旋转不能短时间内停止，保护轴承的发热和磨损将非常严重以致损坏，最终将引起飞轮转子系统的恶性破坏。磁悬浮轴承系统依靠电源的维持，在飞轮长时间不工作但保持旋转时也不能间断电源的供给。

(4)高频高转速电机的发热量大、同时热传导又受限的问题比较严重，限制了电机功率的增大。变频电机还需要配置成本较高的变频器。变频电机+变频器的总效率也较低，即此种能量传递方式的效率较低。

发明内容

为改进现有储能飞轮的不足，本发明提出主要包括“柔性”措施的立式飞轮技术方案，简单概括为：

(1)为解决实用储能体积密度偏小问题，采用内外圈排列布置的多个轮体质量块(53)，每个质量块体均不受其他块体约束而自由变形。

(2)旋转的轮体主要由内外圈排列布置的支承体(54)和质量块体(53)构成，这些块体之间采用柔性膜环(55，58)和端面副(56，57)连接，这种连接方式是一种“柔性”连接，可以补偿各个块体的不平衡，可以大幅降低对动平衡校正的要求，可以自动适应运转时的大位移变形和蠕变变形，可以大幅降低旋转轮体对转轴作用的动不平衡力和力矩，最终减小对轴承的激振力和振动。

(3)针对立式飞轮轴向重力大、径向负荷小的特点，径向轴承采用滚动轴承，并在一端起双向轴向定位作用(同时也承受少量的轴向力)，轴向轴承采用永磁磁力轴承，承受绝大部分的重力。轴向永磁磁力轴承的转动盘处于真空腔内，几乎没有摩擦损耗，其磁场设计为恒稳的、非交变的磁场，没有磁滞和涡流损耗，也不需要耗电和控制。为回避滚动轴承在真空中使用带来的问题，径向滚动轴承置于大气气氛中，在轴承与真空腔之间设置磁性流体密封。从损耗方面考虑，因为飞轮装置具有包括轴承摩擦、轴承耗电、轴承的磁滞和涡流损耗、轴承的冷却流体功耗、密封摩擦、轮体鼓风摩擦(非绝对真空中的摩擦不可轻视)等可能的各种损耗因素，飞轮损耗总量是全部损耗因素共同作用的结果，因此，采用径向滚动轴承方案与采用径向磁力轴承方案对飞轮损耗总量的影响不能简单地认定孰优孰劣，在径向负荷较小的情况下，两种方案的差别不大，又当飞轮损耗总量可满足使用要求时，例如飞轮惰转时间可达到适当的要求时，简单的径向滚动轴承方案不失为一种优选方案。当移动式飞轮的陀螺力矩较大时，可以增设过载保护用径向滚动轴承。

(4)本发明产品的范围不包括能量传递方面，仅包括飞轮装置本身。可以采用的能量传递方式为利用单极直流电磁传动机(另一个申请专利)(附图中标示A的部分)，功率不受限，功率密度高，效率高。

本发明详细的方案说明如下。

一种称为“柔性飞轮”的储能飞轮装置，可应用于新能源车辆、电网调峰、风力发电、不间断电源、高能脉冲充放等场合。其基本组成包括：旋转的轮体，一个转轴(51)，转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体(52)。其必要特征包括：转轴中心线垂直于地面(即立式飞轮)，轮体为多体轴对称结构，轮体含有一个或多个质量块体(53)和至少一个支承体(54)，这些结构体以大环套小环形式依次顺序布置，质量块体位于旋转的最外圈和次外圈，支承体位于质量块体的内圈，质量块体由周向缠绕的纤维增强聚合物构成，采用轴对称的柔性膜环(55，58)连接相邻的内圈和外圈结构体，外圈结构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上，两个端面为承重端面副(56)。

用于质量块体缠绕成型的纤维增强聚合物，其纤维为单向连续纤维，纤维种类可选碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等，玻璃纤维可选高强型玻璃纤维和E玻璃纤维等，采用缠绕成型用无捻粗纱；其聚合物可选热固性树脂和热塑性树脂，热固性树脂可选环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等。碳纤维增强聚合物与玻璃纤维增强聚合物相比较，其优点在于：周向(环向)拉伸弹性模量较高，旋转时变形较小；复合材料的密度较小，比强度较高，单位重量的储能密度较高；其缺点在于：碳纤维价格昂贵，产品成本很高；由于密度较小，而强度的优势并不明显或仅仅持平(相对高强玻纤)，其单位体积的储能密度较低。因此，采用玻璃纤维增强聚合物具有较多的综合优势，适宜大规模经济性应用，在变形和蠕变量大的问题解决之后更是如此。

质量块体可以是单个、两个、三个等，从各自的优缺点衡量取舍来选用。选用单个质量块体的优点是充分利用了高线速度区域，可以获得较高的单位重量储能密度，但是其内孔所占空间不能有效利用，导致以整个设备体积计算的单位体积的储能密度偏低。选用两个质量块体的优点是适当利用了有效空间，并且位于内圈的质量块体可以采用强度较低但价格较廉的纤维和树脂，其缺点是单位重量储能密度小于单个质量块体方案。

轮体的支承体主要作用是在质量块体与转轴之间进行连接，支承体个数取决于连接径向尺寸比例和支承体材质种类。支承体材质可选周向缠绕的纤维增强聚合物，也可选金属材料，前者在金属材料强度不能胜任的较高线速度位置必须采用。同样因为径向强度很低的原因，纤维增强聚合物支承体也常有多体的情形。由于线速度低于质量块体，支承体纤维增强聚合物可以选用强度较低但价格较廉的纤维和树脂。最内圈的支承体宜选用金属材料，以利于与转轴的连接。支承体金属材料可选钢、铝合金、钛合金等，铝合金和钛合金具有较高的比强度，所制支承体的外径较大，可减少纤维增强聚合物支承体的数量；铝合金还具有价格较低、重量较轻的特点；钢制支承体可以兼作永磁吸力轴向轴承的旋转盘，这时采用45号或40Cr钢较佳。

由于缠绕成型纤维增强聚合物在高速旋转失效破坏时容易粉碎为棉絮状碎片，具有较好的安全性，因此，位置较靠外圈的、储能较大的轮体采用纤维增强聚合物具有很明显的安全优势。

本发明所制立式飞轮可应用在移动型场合和固定型场合，当用于没有上下颠簸和向上轴向载荷的固定型场合时，轮体结构体(即质量块体和支承体)之间的端面副可以仅采用一个承重端面副(56)，即外圈结构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上；当用于有上下颠簸或/和向上轴向载荷的移动型场合时，推荐采用一个承重端面副(56)和一个限制向上位移的端面副(57，64)，两个端面副可以设计为集中组合在一起，形成凸台与凹槽配合结构，并且这两个端面副的轴向位置以靠近负载体的重心为佳。端面副(56，57，64)的两个相对端面在径向高度上留有裕量，以补偿旋转时产生的径向位移错位，使端面副在静止至最大转速范围内始终保持有效的作用面积。端面副(57)的两个相对端面之间没有间隙，与承重端面副(56)联合起轴向定位作用，强制限制角不对中变化，紧密参与力和力矩的传递；端面副(64)的两个相对端面之间具有间隙，起限制外圈结构体向上位移的限位作用，一定程度地限制角不对中变化，有时或部分地参与力和力矩的传递。在固定型场合，为限位保险起见，也可以增设端面副(64)。为增加端面副接触面的耐磨性，增加有效接触面积，保护纤维增强塑料表面，以及可靠耐用和吸振等目的，端面副(56，57，64)的两个相对端面材质可采用橡胶弹性材料，如采用聚氨酯橡胶，橡胶端面薄板(65)或橡胶端面厚块(66)与基体胶粘在一起。橡胶端面厚块(66)具有较大的弹性和变形适配性，但其离心负荷较大，应安装在外圈基体上，采用基体内孔面承载离心负荷。由于承重端面副(56)的负荷较大，选择所附的基体与轮体结构主体为一体结构，保证负荷传递路径具有充分的强度储备，而非承重端面副(57，64)的一端基体采用配件结构，该配件可用胶粘剂与主基体连接固定，配件材料采用与主基体相同的材质。

连接相邻内圈和外圈结构体的柔性膜环(55，58)，可以采用单组或双组，单组设计较适用于固定型场合，双组设计较适用于移动型场合，并且以两组的轴向跨距较大为佳。每组柔性膜环由单片或多片柔性膜环构成，数量取决于强度和刚度等因素的考虑。每片柔性膜环均与内圈和外圈基体胶粘，既有直接与主基体胶粘，也有与配件结构胶粘，配件结构再与主基体胶粘，配件材料采用与主基体相同的材质。可采用安装状态没有预先弯曲变形的柔性膜环(55)，由两端根部和中间的身部组成，带半圆头的根部与基体胶粘，身部厚度沿径向渐缩设计，以减小最大应力。也可采用安装状态具有预先弯曲变形的柔性膜环(58)，膜环零件在安装前的自由状态为等厚度平直垫圈形状，安装时强制变形为向一侧面弯曲状，距离转轴较远处的膜环弯曲程度较大，在旋转至最大转速时膜环基本拉直。柔性膜环(55，58)材质为弹性材料，包括橡胶材料，如聚氨酯橡胶。柔性膜环(58)还可采用弹性材料与径向增强纤维的复合材料，顺半径方向布置的纤维集中在膜中心面，大幅提高膜环径向强度，同时不影响膜的弯曲，也不降低周向的弹性。柔性膜环(58)安装时进行周向拉伸，增大膜环内孔径至配合尺寸，保持膜环外径不变。对于质量块之间的双组柔性膜环(58)，与定位端面副有一定轴向距离的柔性膜环可选偏置安装(图2，放大图IV)，偏置量补偿旋转时外圈相对内圈的轴向收缩差值，以求在最大转速时膜环处于径向伸直状态。对于质量块之间的双组柔性膜环(55)，与定位端面副有一定轴向距离的柔性膜环可选倾斜设计，以求在最大转速时膜环处于径向伸直状态。

转轴(51)与最内圈的支承体(54)之间可以直接连接，如圆锥面过盈连接；也可以在二者之间安装支承盘(62)，支承盘的中心内孔与转轴连接，如圆锥面过盈连接，支承盘的盘身位于最内圈的支承体下方，二者之间安装弹性材料环(63)，后者与二者胶粘连接。与转轴过盈连接的物体材质宜取为与转轴同类型，如同取为钢材，以使二者的弹性模量、线胀系数等参数差别不大，利于在安装和使用时减小应力并保证过盈连接。与转轴直接连接的最内圈支承体一般为钢质，其外径较小，其转动惯量一般很小。当最内圈支承体选用铝合金或钛合金材质时，其外径较大，其转动惯量也较大，较需要柔性连接，同时轻合金与钢质转轴过盈连接的问题也较大，因此，采用中间过渡的钢质支承盘和弹性材料环的结构是优选解决方案，其中的弹性材料环同时起到柔性连接、承重和轴向定位作用，其材质可用橡胶材料，如聚氨酯橡胶。

真空容器壳体(52)设计为垂直轴线剖分的两半结构，一圈法兰(67)位于壳体外圆表面的中间部位，法兰边可以位于容器外侧或内侧。法兰边内侧设计意在减小实用外形尺寸，内侧法兰边不设把紧螺栓，依靠容器真空产生的压力压紧，采用这种设计时，同时也在容器外侧四角处增设四段耳法兰及其把紧螺栓，该四角位置选择不影响实用外形尺寸的地方，例如不影响布置宽度和长度的45°角方位。在整圈法兰边设置橡胶密封圈，也可在橡胶密封圈的外侧增设真空密封脂，也可在橡胶密封圈的内侧增设软金属密封圈，也可在橡胶密封圈的外侧增设真空密封脂并在内侧增设软金属密封圈。壳体的安装支承部位利用外露的法兰边，这也是整个飞轮装置的安装支承部位。

作为增加的安全防护措施，可在最外圈质量块体与其外侧壳体之间增设包容性强的保护套筒(68)，保护套筒与壳体相靠支承，但不限制套筒旋转。保护套筒可以设置一个或多个，多个套筒之间允许自由旋转，两个套筒各有一侧带端部围裙(68)。

真空容器壳体(52)可采用三层复合结构(图5，图6)，中间层为纤维增强塑料，两个外表面层为轻质金属材料，中间层与外表面层胶粘连接。增强纤维可选玻璃纤维、碳纤维等，使用非单向布织物、短切纤维、毡等材料。树脂可选环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等。中间层可采用片状模塑料(SMC)进行成型加工。外表面层轻质金属优选铝或铝合金。三层复合结构的优点是：振动阻尼大，强度高，韧性好，重量轻。

飞轮转轴(51)的径向支承轴承可用两组径向支承磁悬浮轴承，也可用两组滚动轴承。其轴向支承轴承采用一组轴向支承磁悬浮轴承。

一组轴向支承磁悬浮轴承由一个或多个轴承构成，对于轮体重量很大的情形，适合于采用多个轴承。轴向支承磁悬浮轴承采用永磁斥力式或永磁吸力式。

一个永磁斥力式轴向支承磁悬浮轴承具有一个转动盘和一个静止盘，转动盘位于静止盘的上方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，静止盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，上述所有永磁体的充磁磁路也是轴对称结构，两盘相邻侧端面上相同半径处相对的磁极相反，向上的磁斥力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。

一个永磁吸力式轴向支承磁悬浮轴承具有一个转动盘(59，54)和一个静止盘(60，61)，转动盘位于静止盘的下方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘为轴对称软磁体结构，静止盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，上述所有永磁体的充磁磁路也是轴对称结构，向上的磁吸力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。

上述永磁式轴向支承磁悬浮轴承没有磁滞和涡流损失。永磁吸力式与永磁斥力式比较，具有两大优点：一是转动盘不需要安装永磁体，而永磁体的强度是很低的；二是磁吸端面的磁通密度可以组织设计的较大，以较小的轴承外径尺寸获得较大的轴承吸力。

径向支承的两组滚动轴承，一组滚动轴承承受径向负荷，另一组滚动轴承承受径向负荷和双向轴向负荷，并且是轴向定位端。每组滚动轴承由一个滚动轴承或多个滚动轴承组成，以满足负载大小和方向的要求。轴向定位端一般位于上端。在移动型场合，当飞轮陀螺力矩较大时，可以增设两组径向保护滚动轴承，以短时承担超载径向力。

轴向支承磁悬浮轴承的设置位置，一是静止盘(60)可以靠近轴向定位端滚动轴承，并与轴承座直接或间接固定连接；二是静止盘(61)可以固定在壳体(52)上，此时，其转动盘可以由一个支承体(54)兼作。

当径向支承采用滚动轴承时，真空容器壳体(52)与转轴(51)之间设置磁性流体密封组件。也可在下半壳体与转轴之间设置磁性流体密封组件和下轴承座(图2)，密封组件位于转轴与下轴承座之间，下半壳体的内中心孔与下轴承座的外圆柱面接触连接，并可轴向位移滑动，两面之间设置橡胶密封圈和真空密封脂。

附图说明

图1：柔性飞轮子午面图(一)。

图2：柔性飞轮子午面图(二)。

图3：柔性飞轮轮体子午面图(一)。

图4：柔性飞轮轮体子午面图(二)。

图5：柔性飞轮壳体和保护套筒子午面图。

图6：柔性飞轮子午面图(三)。

具体实施方式

一个用于飞轮动力车辆的立式储能飞轮装置具体实施方案(图1)如下。

主要参数：额定转速10000r/min，外径1354.4mm，真空容器高度440.2mm，总高度535.3mm，转轴上的飞轮质量748.8kg，额定储能30.6kWh。

具有两个质量块体(53)，材质为缠绕成型的高强型玻璃纤维无捻粗纱增强环氧树脂。为适应壳体(52)的大圆角，外圈质量块体的两端面与外圆交界处设计为圆倒角，以在最大转速时产生的质量块体变形轮廓与壳体仍有足够安全间隙为准。

具有一个支承体(54)，材质为铝合金。

在外圈质量块体与内圈质量块体之间，采用一个承重端面副(56)和一个限制向上位移的端面副(57)，两个端面副集中设计，并且其轴向位置与外圈质量块体的重心齐平。在内圈质量块体与支承体之间，采用一个承重端面副(56)和一个限制向上位移的端面副(57)，两个端面副集中设计，并且其轴向位置尽量与两个质量块体的重心齐平。端面副(56，57)的两个相对端面在径向高度上留有裕量，以补偿旋转时产生的径向位移错位，使端面副在静止至最大转速范围内始终保持有效的作用面积。端面副(57)的两个相对端面之间没有间隙，与承重端面副(56)联合起轴向定位作用，强制限制角不对中变化，紧密参与力和力矩的传递。为增加端面副接触面的耐磨性，增加有效接触面积，保护纤维增强塑料表面，以及可靠耐用和吸振等目的，端面副(56，57)的两个相对端面材质采用聚氨酯橡胶材料，这种材料的端面薄板(65)和端面厚块(66)与基体胶粘在一起。端面厚块(66)具有较大的弹性和变形适配性，但其离心负荷较大，安装在外圈基体上，采用基体内孔面承载离心负荷。由于承重端面副(56)的负荷较大，选择所附的基体与轮体结构主体为一体结构，保证负荷传递路径具有充分的强度储备，而非承重端面副(57)的一端基体采用配件结构，该配件用胶粘剂与主基体连接固定，配件材料采用与主基体相同的材质。

在外圈质量块体与内圈质量块体之间，以及内圈质量块体与支承体之间，均设置两个轴向跨距较大的柔性膜环(55)。每个柔性膜环直接与其连接的内圈和外圈主基体胶粘。该柔性膜环采用聚氨酯橡胶材料，在安装状态没有预先弯曲变形，由两端根部和中间的身部组成，带半圆头的根部与主基体胶粘，身部厚度沿径向渐缩设计，以减小最大应力。由于两个质量块之间的柔性膜环与定位端面副有较大的轴向距离，对这两个柔性膜环采取了倾斜设计，以求在最大转速时膜环处于径向伸直状态。

在钢质转轴(51)与支承体(54)之间，设置有钢质支承盘(62)和聚氨酯橡胶弹性材料环(63)。支承盘的中心内孔与转轴采用圆锥面过盈连接，支承盘的盘身位于支承体下方，支承盘与支承体之间安装弹性材料环，后者与二者胶粘连接。弹性材料环起柔性连接、承重和轴向定位作用。

真空容器壳体(52)设计为垂直轴线剖分的两半结构，一圈法兰(67)位于壳体外圆表面的中间部位，法兰边位于容器内侧。内侧法兰边不设把紧螺栓，依靠容器真空产生的压力压紧。在容器外侧不影响布置宽度和长度的45°角的四角方位，设置四段耳法兰及其把紧螺栓。在整圈法兰边设置橡胶密封圈，并在橡胶密封圈的外侧设置真空密封脂，并在橡胶密封圈的内侧设置软金属密封圈。壳体的安装支承部位利用外露的法兰边，这也是整个飞轮装置的安装支承部位。

壳体(52)采用三层复合结构(图5)，中间层为玻璃短切纤维增强环氧树脂，两个外表面层为铝合金材料，中间层与外表面层胶粘连接。壳体(52)与转轴(51)之间设置磁性流体密封组件。

转轴(51)的径向支承轴承采用两组滚动轴承，位于下端的滚动轴承承受径向负荷，采用一个单列深沟球轴承；位于上端的滚动轴承承受径向负荷和双向轴向负荷，并作为轴向定位端，采用一对角接触球轴承。在下端滚动轴承侧，设置一个径向保护用的球面滚子轴承；在上端滚动轴承侧，设置一个径向保护用的CARB圆环滚子轴承。

转轴(51)的轴向支承轴承采用一个永磁吸力式轴向支承磁悬浮轴承，位置靠近上端的轴向定位轴承，具有一个阶梯形转动盘(59)和一个阶梯形静止盘(60)，静止盘与轴承座直接固定连接，转动盘位于静止盘的下方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘为45钢轴对称结构，静止盘为铝合金、电磁纯铁与钕铁硼永磁体的轴对称混合结构，铝合金结构是静止盘的基体，由电磁纯铁环与钕铁硼永磁体环相间布置的混合盘结构形成与转动盘相对的侧端面，永磁体环沿径向向外或向内方向充磁，相邻的永磁体环充磁方向相反，气隙磁场向上的磁吸力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。该磁悬浮轴承没有磁滞和涡流损失。

Claims (11)

1.一种储能飞轮装置，包括：旋转的轮体，一个转轴(51)，转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体(52)，其特征是：转轴中心线垂直于地面，轮体为多体轴对称结构，轮体含有一个或多个质量块体(53)和至少一个支承体(54)，轮体中的称为结构体的质量块体和支承体以大环套小环形式依次顺序布置，质量块体位于旋转的最外圈和次外圈，支承体位于质量块体的内圈，质量块体由周向缠绕的纤维增强聚合物构成，采用轴对称的柔性膜环(55，58)连接相邻的内圈和外圈结构体，外圈结构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上，两个端面组成承重端面副(56)。

2.如权利要求1所述的飞轮装置，其特征是：外圈结构体的一个面朝上的端面置于内圈结构体的一个面朝下的端面的下方，两个端面组成限制向上位移的端面副(57，64)，该端面副与承重端面副可以设计为集中组合在一起，形成凸台与凹槽配合结构。

3.如权利要求1、2所述的飞轮装置，其特征是：采用两组柔性膜环(55，58)连接相邻的内圈和外圈结构体，二者的轴向跨距最大化设计。

4.如权利要求1至3所述的飞轮装置，其特征是：柔性膜环(55)安装状态没有预先弯曲变形，柔性膜环材质为弹性材料，包括橡胶材料。

5.如权利要求1至3所述的飞轮装置，其特征是：柔性膜环(58)安装状态具有预先弯曲变形，柔性膜环材质或为弹性材料，或为弹性材料与径向增强纤维的复合材料。

6.如权利要求5所述的飞轮装置，其特征是：柔性膜环(58)安装状态具有预先周向拉伸变形。

7.如权利要求1至6所述的飞轮装置，其特征是：壳体(52)为三层复合结构，中间层为纤维增强塑料，两个外表面层为轻质金属材料，中间层与外表面层胶粘连接。

8.如权利要求1至7所述的飞轮装置，其特征是：轴承由两组径向支承磁悬浮轴承和一组轴向支承磁悬浮轴承组成，一组轴向支承磁悬浮轴承具有一个或多个串联的轴向支承磁悬浮轴承。

9.如权利要求1至7所述的飞轮装置，其特征是：轴承由两组滚动轴承和一组轴向支承磁悬浮轴承组成，其中的一组滚动轴承承受径向负荷，另一组滚动轴承承受径向负荷和双向轴向负荷，并且是轴向定位端，一组轴向支承磁悬浮轴承具有一个或多个串联的轴向支承磁悬浮轴承。

10.如权利要求8、9所述的飞轮装置，其特征是：一个轴向支承磁悬浮轴承有一个转动盘和一个静止盘，转动盘位于静止盘的上方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，静止盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，上述所有永磁体的充磁磁路也是轴对称结构，两盘相邻侧端面上相同半径处相对的磁极相反，向上的磁斥力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。

11.如权利要求8、9所述的飞轮装置，其特征是：一个轴向支承磁悬浮轴承有一个转动盘(59，54)和一个静止盘(60，61)，转动盘位于静止盘的下方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘为轴对称软磁体结构，静止盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，上述所有永磁体的充磁磁路也是轴对称结构，向上的磁吸力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。12.如权利要求1至11所述的飞轮装置，其特征是：在转轴(51)与最内圈的支承体(54)之间安装有支承盘(62)，支承盘的中心内孔与转轴过盈连接，支承盘的盘身位于最内圈的支承体下方，二者之间安装有弹性材料环(63)，后者与二者胶粘连接。